专利名称：超声波互动电子白板系统的制作方法
技术领域：
本发明属于将传感器应用于计算机与外界交流的技术，尤其涉及到利用超声波传 感器制作的超声波互动电子白板系统。
背景技术：
随着互动多媒体技术的发展与应用，电子触摸屏在现实生活中普及化应用，人机 交互方式的多样化提供给用户极大的方便，互动电子白板系统是将人机交互应用在大屏幕 显示领域的人机交互系统，广泛用于教学、会议、办公，配合互动电子白板软件，可以实现无 尘粉笔、电子化备课、教学、课堂教学互动等功能，丰富教学内容，提高了教学质量。超声波是指频率在20Khz以上，人耳不能激起正常听觉反应的机械振动波，超声 波在空气中传播时能量衰减比较厉害，这样对检测超声波是非常不利的。中国专利文献CN 1595348A公开了一种遥控无线定位电子白板系统，申请号为 200410010955. 1，利用接收的超声波幅度来确定超声波达到超声波接收器的时间，由于超 声波在不同距离，不同方位，超声波接收器幅度差异较大，需要采用特殊的PVDF膜来增强 发射功率，采用提高放大倍数、可变增益放大器，使得白板系统在外界噪音干扰下，产生定 位误差，导致系统不能正常工作。中国专利文献CN 1595349A公开了一种基于软件无线电原理的电子白板系统，申 请号为200410010956. 6，采用基于高阶循环统计量的正交解调算法，对超声波信号进行处 理，利用正交解调算法，可以提高时延提取的准确性，但是仍然解决不了在同一个点超声波 信号发射笔倾斜后，由于超声波两个接收部件接收到不一样超声波信号，而产生的时延误 差，导致在信号笔运行中出现定位偏差现象。中国专利文献CN 1740958A公开了一种超声波定位控制装置及其方法，申请号为 200510076769. 2，采用鉴相器鉴别的调制信号，并且根据信号的相位特征判断出触摸点的 位置，然后利用数学公式进行计算，这个方法可以降低超声波前置硬件处理的复杂度，但是 同时也增加软件的复杂程度，引入更多误差，导致电子笔在运行中定位坐标在一定范围内 抖动现象，无法精准定位。中国专利文献CN 101029931A公开了一种超声波定位装置及其定位方法，申请号 为200710026504.0，采用自动增益电路将各个接收方向上的超声波信号放大，并通过脉冲 转换电路转换成脉冲信号，采用这个方法其本质还是采用幅值鉴定方法，由于超声波在不 同距离，不同方位，超声波接收器幅度差异较大，从而提取时延误差的产生是不可避免的， 且在外界噪音干扰下，产生定位误差，导致系统不能正常工作。以上四个专利都只能支持对角线80-90时左右的电子白板有效使用面积。
发明内容
本发明的目的在于克服上述互动电子白板系统存在缺点，提供一种不受外界干 扰，能精确定位、接收、判断信号笔所发的信号的超声波互动电子白板系统。
本发明所采用的技术方案为超声波互动电子白板系统，包括白板、信号笔、计算 机，其要点在于信号笔发射红外编码信号及超声波信号，所述的超声波波形方程为F(x) = x*sin(x) 当0 < x < t/2，其中t为超声波波形延续时间F(x) = (t-x)*sin(t-x) 当t/2 < x < t，其中t为超声波波形延续时间其中Pyl，Py2，Py3，Py4，Py5，Py6为超声波0 < x < t/2内，周期峰值，令超声波
周期为T则Pyl = (T/4)*sin(T/4) ---------------------1Py2 = (T/4+T)*sin(T/4+T) -------------------2Py3 = (T/4+2T)*sin(T/4+2T) -----------------3Py4 = (T/4+3T)*sin(T/4+3T) -----------------4Py5 = (T/4+4T)*sin(T/4+4T) -----------------5Py6 = (T/4+5T)*sin(T/4+5T) -----------------6由公式2/l、3/2、'4/3、5/4、6/5 得
S1=Py2,/Pyl =(T/4+T)*sin(T/4+T)/(T/4)/sin(T/4) = 4. 346
S2=Py3,/Py2 =(T/4+2T)*sin(T/4+2T)/(T/4+T)/sin(T/4+T)=1. 7923
S3=Py4,/Py3 =(T/4+3T)*sin(T/4+3T)/(T/4+2T)/sin(T/4+2T)=1.441
S4=Py5,/Py4 =(T/4+4T)*sin(T/4+4T)/(T/4+3T)/sin(T/4+3T)=1.300
S5=Py6,/Py4 =(T/4+5T)*sin(T/4+5T)/(T/4+4T)/sin(T/4+4T)=1.2392同时在信号笔中设定了特定的红外编码波形，接收信号的计算机中含有a)超声信号前置放大电路；b)红外信号前置放大电路；c) A/D采样电路与数字滤波电路；d)红外信号解码运算、超声波波形识别运算；e)由PDIUSB12芯片组成与PC进行USB协议通信，把超声波从发出到接收的时间 上传给PC机进行运算，计算机收到信号笔发出的信号后，排除杂波干扰，对红外信号解码 运算、超声波波形识别运算，并将运算结果形成指令给计算机，计算机再将结果显示到白板 上。对红外进行编码时，可以设定为有效的编码为4个连续高电平，前2个高电平与后 两个高电平之间宽度作为红外编码信号，即t = Pr2-Prl，根据t = Pr2-Prl的宽度可以断 定是否为电子笔发出的红外信号，其中t的时间范围为180us < t < 360us。超声波前置放大与红外信号前置放大电路，由LMV822运算放大器组成前置放大 电路。A/D采样电路与数字滤波电路，由DSP与多通道高速A/D采用芯片组成，其中A/D 采样芯片采用4通道TLV1562，DSP采用TMS320VC5509进行数字滤波。DSP对A/D采用的红外波形，与红外信号编码波形进行比对，比对结果相类似，则 判断为接收到信号笔发出的红外信号，启动计时，并开始接收并处理超声波信号。要进行超声波波形识别，并计算出两个超声波接收头接收到超声波信号的接收时 间，DSP接收到L路超声波信号，R路超声波信号，分别计算出S1、S2、S3、S4、S5，与S1’、S2’、 S3，、S4，、S5，，从 SI、S2、S3、S4、S5，与 S1，、S2，、S3，、S4，、S5，中，选择两个值最为接近的两个点，Sx与Sx’，以这两个点所对于的计时时间Tl，Tr作为超声波从发出到达两路超声波 接收时间。本发明的原理在于信号笔在白板板面书写时，会先发出红外编码信号，并同时发 送出超声波波形信号，由于光线传送速度极快可以忽略不计，红外接收传感器接收到微弱 的红外信号，经过红外前置放大器放大后，把放大后的信号给A/D芯片进行采样，得到8位 的数字信号，经过DSP的滤波算法，消除环境中红外干扰之后，再次对数字信号进行解码， 判断是否为超声波与红外发射笔发出的红外信号，如果是超声波与红外笔发出的红外信 号，则开始接收L、R两路超声波信号，超声波在空气中传输到达两个超声波接收头，超声波 传感器产生微弱的电信号，经过超声波前置放大电路放大，把放大后的超声波给A/D芯片 进行采样，得到L、R两路超声波8位的数字信号，经过DSP滤波算法，消除环境中杂波信号， 提取40Khz的超声波信号数据，DSP在记录超声波波形幅值同时也记录时间，根据拉格朗日 中值原理，求取得超声波正半周各个波峰，并记录波峰时间，这样子两路超声波的波峰值及 其波峰时间都是已知了，根据以下公式SI = Py2/Pyl = (T/4+T) *sin (T/4+T) / (T/4)/sin (T/4) = 4. 346S2 = Py3/Py2 = (T/4+2T)*sin(T/4+2T)/(T/4+T)/sin(T/4+T) = 1.7923S3 = Py4/Py3 = (T/4+3T)*sin(T/4+3T)/(T/4+2T)/sin(T/4+2T) = 1. 441S4 = Py5/Py4 = (T/4+4T)*sin (T/4+4T)/(T/4+3T)/sin(T/4+3T) = 1. 300S5 = Py6/Py4 = (T/4+5T)*sin (T/4+5T)/(T/4+4T)/sin(T/4+4T) = 1.2392我们可以进行L、R两路超声波进行比对，找出相同的S值，并且获得相同S值的时 间tl，tr，其中tl，tr就是我们想要得到超声波时延。根据tl、tr利用三角定位公式可以求解出超声波与红外发射笔距离超声波接收 器的距离。本系统的主要思想就是要突破超声波幅值限制，因为超声波在空气传输，在不同 距离，不同方位，超声波与红外发射笔与电子白板的倾斜程度不同都将产生L、R两路超声 波接收幅值不同，从而导致了超声波时延的误差，本发明主要是探索了超声波波形规律，计 算出超声波波形方程为f(x) = x*sin(X)，利用该波形方程进行超声波波峰比对，突破了超 声波幅值对比误差，达到了即使L、R两路超声波接收的超声波波形幅值相差较大，也可以 准确计算出L、R波峰的时延。本系统另外一个突破就是红外信号编码，由于超声波互动电子白板在现实环境中 很容易受到光的干扰，比如日关灯、太阳管、投影仪、显示器发出光线的干扰，这种干扰其频 谱带很宽，普通的高低电平编码基本是无法抵消这种干扰，所以提出连续两串高低电平编 码，通过计算这两串高低电平编码之间的时间，来判断是否为超声波与红外发射笔发出的 红外信号。本发明突破了超声波幅值限定，可以增大超声波互动电子白板有效书写面积，可 以支持对角线0-120英寸任意尺寸的电子白板。
图1为本发明信号笔发送红外编码信号2为本发明信号笔发送超声波信号波形图及其波形方程
图3为本发明超声波与红外接收信号处理4为本发明硬件结构5为本发明程序流程图
具体实施例方式下面结合附图对本发明进行详细的描述如图1、图2、图3、图4、图5所示，超声波互动电子白板系统，包括白板、信号笔、计 算机，信号笔用于发射超声波信号与红外编码信号。1)信号笔先发送红外编码信号如图1所示2)信号笔发送红外编码信号之后，发送超声波信号，如图2所示。3)超声波信号接收电路如图3，如图4，接收到超声波波形图2，该超声波波形方程 为F(x) = x*sin(x) 当0 < x < t/2，其中t为超声波波形延续时间F(x) = (t-x)*sin(t-x) 当t/2 < x < t，其中t为超声波波形延续时间其中Pyl，Py2，Py3，Py4，Py5，Py6为超声波0 < x < t/2内，周期峰值，令超声波
周期为T则Pyl = (T/4)*sin(T/4) ---------------------1Py2 = (T/4+T)*sin(T/4+T) -------------------2Py3 = (T/4+2T)*sin(T/4+2T) -----------------3Py4 = (T/4+3T)*sin(T/4+3T) -----------------4Py5 = (T/4+4T)*sin(T/4+4T) -----------------5Py6 = (T/4+5T)*sin(T/4+5T) -----------------6由公式2/l、3/2、'4/3、5/4、6/5 得
S1=Py2,/Pyl =(T/4+T)*sin(T/4+T)/(T/4)/sin(T/4) = 4. 346
S2=Py3,/Py2 =(T/4+2T)*sin(T/4+2T)/(T/4+T)/sin(T/4+T)=1. 7923
S3=Py4,/Py3 =(T/4+3T)*sin(T/4+3T)/(T/4+2T)/sin(T/4+2T)=1.441
S4=Py5,/Py4 =(T/4+4T)*sin(T/4+4T)/(T/4+3T)/sin(T/4+3T)=1.300
S5=Py6,/Py4 =(T/4+5T)*sin(T/4+5T)/(T/4+4T)/sin(T/4+4T)=1.2392其波形如图2所示，超声波波形有两个阶段一个阶段为振幅不断上升的阶段，另 外一个阶段为振幅不断下降的衰减阶段，由于不同超声波接收传感器，其余振不同，其衰弱 阶段会不一样，所以采用超声波上升阶段作为特征阶段，进行波形识别。4)超声波接收与信号处理中含有a)超声信号前置放大电路；b)红外信号前置放大电路；c) A/D采样电路与数字滤波电路；d)红外信号解码运算、超声波波形识别运算；e)由PDIUSB12芯片组成与PC进行USB协议通信，把超声波从发出到接收的时间 上传给计算机进行运算，计算机收到信号笔发出的信号后，排除杂波干扰，对红外信号解码 运算、超声波波形识别运算，并将运算结果形成指令给计算机，计算机再将结果显示到白板上。5)红外信号编码发射，如图1，红外编码为持续的4个高电平脉冲，前2个高电平 脉冲与后2个高电平脉冲的时间差t = Pr2-Prl，根据t来判断是否为超声波与红外发射笔 发出的红外编码，其中t的时间范围为180us < t < 360us。t = 180us表示超声波与红外 发射笔的按下、t = 240表示弹起。6)超声波前置放大与红外信号前置放大电路，一般由LMV822运算放大器组成，A/ D采样电路与数字滤波电路，由DSP与多通道高速A/D采用芯片组成，其中A/D采样芯片采 用4通道TLV1562，DSP采用TMS320VC5509进行数字滤波。红外接收传感器接收到红外编码信号后，经过前置放大后，把模拟信号发送给A/ D采样芯片TLV1562进行采样，转换成数字信号，并暂存在TMS320VC5509芯片的RAM中， TMS320VC5509对采样的数字信号进行滤波，提取有效的红外信号，屏蔽环境红外干扰信号， 计算出前2个高电平脉冲与后两个高电平脉冲的时间差t = Pr2-Prl，判断t的值，进行超 声波与红外发射笔的书写、弹起、按键的识别及其处理。DSP对A/D采用的红外波形，与红外信号编码波形进行比对，比对结果相类似，则 判断为接收到信号笔发出的红外信号，启动计时，并开始接收并处理超声波信号。7)进行超声波波形识别方法，并计算出两个超声波接收头接收到超声波信号的接 收时间，DSP接收到L路超声波信号，R路超声波信号，分别计算出S1、S2、S3、S4、S5，与S1’、 S2，、S3，、S4，、S5，，从 SI、S2、S3、S4、S5，与 S1，、S2，、S3，、S4，、S5，中，选择两个值最为接 近的两个点，Sx与Sx’，以这两个点所对于的计时时间Tl，Tr作为超声波从发出到达两路超 声波接收时间。即现在RAM存储有L、R两路超声波正波峰值，L路LPyl，LPy2、LPy3、LPy4、LPy5， 及其对于时间点 LT1，LT2, LT3, LT4, LT5，求出 LSI，LS2, LS3, LS4, LS5 ；R 路RPyl，RPy2、RPy3、RPy4、RPy5，及其对于时间 RT1，RT2, RT3, RT4, RT5，求出 RSI, RS2,，RS3, RS4, RS5 ；从LSI，LS2，LS3，LS4，LS5 与 RS1，RS2，，RS3，RS4，RS5 找出最相近的两个值，及其 对应时间点Tl，Tr，则Tl，Tr则为我们所要求的。由于 LSI，LS2, LS3, LS4, LS5 与 RS1，RS2,，RS3, RS4, RS5 是波峰幅值比，其值与波 形幅值无直接关系，所以通过此算法可以解决超声波在不同距离、不同方位、及其超声波与 红外发射笔倾斜而产生的L、R两超声波接收信号相差太大的问题，这样子无需加大笔的发 射功率，可以把超声波与红外发射笔做到很小巧。当DSP识别到是超声波与红外发射笔发出的红外编码信号后，会切换A/D采用芯 片TLV1562对L、R两路超声波信号同时进行采样，获取L、R超声波8位的数字信号，并把数 据存储到DSP TMS320VC5509的RAM中，TMS320VC5509对采样的两路超声波信号进行数字 滤波，提取40Khz的超声波数字信号数据，并存储在RAM，然后利用中值定理，计算中两路数 字波形中的正峰值，存储各峰值的时间点在RAM中。DSP TMS320VC5509计算出Tl、Tr后通过USB接口芯片PDIUSB12把这两个数据上 传给PC机，PC机接收到数据后，对这两个数据进行三角定位计算出超声波与红外发射笔距 离超声波接收器的位置，其计算公式如下根据三角函数公式
arcA = arccos((1000*1000+Tr*Tr_Tl*Tl)/2000/Tr)；X = Tr*cos(2. 3561944901923-arcA)；Y = Tr*Sin(2. 3561944901923-arcA)；计算出X，Y即为超声波与红外信号发射笔的相对位置计算得出的X、Y还不是PC机鼠标真实位置坐标，必须经过PC机屏幕显示分辨率 的计算后，才能得到鼠标坐标位置、超声波与红外发射笔的对应位置，其公式如下要把超声波与红外发射笔位置转换成PC机的鼠标位置，要进行定位换算，Mx为x 方向换算比例，My为y方向换算比例，Dx为屏幕x方向分辨率，Dy为屏幕y方向分辨率，则 PC鼠标的位置为x’，y’x，= X*Mx/Dxf = Y*My/Dy本发明的保护范围并不限于上述实施例，凡与本发明的技术方案相同或者等同的 技术内容落入其保护范围内。
权利要求
超声波互动电子白板系统，包括白板、信号笔、计算机，其特征在于信号笔发射红外编码信号及超声波信号，所述的超声波波形方程为F(x)＝x*s i n(x)当0＜x＜t/2，其中t为超声波波形延续时间F(x)＝(t-x)*s i n(t-x)当t/2＜x＜t，其中t为超声波波形延续时间其中Py1，Py2，Py 3，Py4，Py5，Py6为超声波0＜x＜t/2内，周期峰值，令超声波周期为T则Py1＝(T/4)*s in(T/4)---------------------1Py2＝(T/4+T)*s in(T/4+T)-------------------2Py3＝(T/4+2T)*s in(T/4+2T)-----------------3Py4＝(T/4+3T)*s in(T/4+3T)-----------------4Py5＝(T/4+4T)*s in(T/4+4T)-----------------5Py6＝(T/4+5T)*s in(T/4+5T)-----------------6由公式2/1、3/2、4/3、5/4、6/5得S1＝Py2/Py1＝(T/4+T)*s in (T/4+T)/(T/4)/s in(T/4)＝4.346S2＝Py 3/Py2＝(T/4+2T)*s i n(T/4+2T)/(T/4+T)/s i n(T/4+T)＝1.7923S3＝Py4/Py3＝(T/4+3T)*s in (T/4+3T)/(T/4+2T)/s in (T/4+2T)＝1.441S4＝Py5/Py4＝(T/4+4T)*s in (T/4+4T)/(T/4+3T)/s in (T/4+3T)＝1.300S5＝Py6/Py4＝(T/4+5T)*s in(T/4+5T)/(T/4+4T)/s in(T/4+4T)＝1.2392同时在信号笔中设定了特定的红外编码波形，接收信号的计算机中含有a)超声信号前置放大电路；b)红外信号前置放大电路；c)A/D采样电路与数字滤波电路；d)红外信号解码运算、超声波波形识别运算；e)由PDIUSB12芯片组成与PC进行USB协议通信，把超声波从发出到接收的时间上传给计算机进行运算，计算机收到信号笔发出的信号后，排除杂波干扰，对红外信号解码运算、超声波波形识别运算，并将运算结果形成指令给计算机，计算机再将结果显示到白板上。
2.根据权利要求1所述的超声波互动电子白板系统，其特征在于，对红外进行编码时， 可以设定为有效的编码为4个连续高电平，前2个高电平与后两个高电平之间宽度作为红 外编码信号，即t = Pr2-Prl，根据t = Pr2-Prl的宽度可以断定是否为电子笔发出的红外 信号，其中t的时间范围为180us < t < 360us。
3.根据权利要求1所述的超声波互动电子白板系统，其特征在于，超声波前置放大与 红外信号前置放大电路，由LMV822运算放大器组成前置放大电路。
4.根据权利要求1所述的超声波互动电子白板系统，其特征在于，A/D采样电路与数字 滤波电路，由DSP与多通道高速A/D采用芯片组成，其中A/D采样芯片采用4通道TLV1562， DSP采用TMS 320VC5509进行数字滤波。
5.根据权利要求4所述的超声波互动电子白板系统，其特征在于，DSP对A/D采用的红 外波形，与红外信号编码波形进行比对，比对结果相类似，则判断为接收到信号笔发出的红 外信号，启动计时，并开始接收并处理超声波信号。
6.根据权利要求4所述的超声波互动电子白板系统，其特征在于，要进行超声波波形识别，并计算出两个超声波接收头接收到超声波信号的接收时间，DSP接收到L路超声波信 号，R 路超声波信号，分别计算出 SI、S2、S3、S4、S5，与 SI’、S2’、S3’、S4’、S5’，从 SI、S2、 S3、S4、S5，与SI，、S2，、S3，、S4，、S5，中，选择两个值最为接近的两个点，Sx与Sx，，以这两 个点所对于的计时时间Tl，Tr作为超声波从发出到达两路超声波接收时间。
7.根据权利要求1所述的超声波互动电子白板系统，其特征在于，信号笔，用于发射超 声波信号与红外编码信号，且先发送红外编码信号，延时一定时间后，再进行超声波信号发 射。
8.根据权利要求7所述的超声波互动电子白板系统，其特征在于，所述的延时一定时 间为延时600us。
全文摘要
本发明属于将传感器应用于计算机与外界交流的技术，尤其涉及到利用超声波传感器制作的超声波互动电子白板系统。本发明包括白板、信号笔、计算机，其要点在于信号笔发射红外编码信号及超声波信号，接收信号的计算机中含有a)超声信号前置放大电路；b)红外信号前置放大电路；c)A/D采样电路与数字滤波电路；d)红外信号解码运算、超声波波形识别运算；e)由PDIUSB12芯片组成与PC进行USB协议通信，把超声波从发出到接收的时间上传给PC机进行运算，对红外信号解码运算、超声波波形识别运算，并将运算结果形成指令给计算机，将结果显示到白板上。本发明突破了超声波幅值限定，增大超声波互动电子白板有效书写面积，支持对角线0-120时的电子白板。
文档编号G06F3/043GK101853111SQ20101017984
公开日2010年10月6日 申请日期2010年5月21日 优先权日2010年5月21日
发明者丁万年, 陈日良 申请人:福州锐达数码科技有限公司